一种多平台图形用户界面的研究与设计
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摘要
图形用户界面简称为GUI，是二十世纪最重要的创造发明之一。其结合了计算机科学、美学、心理学、语言学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调将人、机器、环境三者作为一个系统而进行总体设计。目前，许多大公司都已意识到GUI在产品方面产生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部门用以专门从事GUI的研究与设计。随着中国IT产业，移动通讯产业，家电产业的迅猛发展，图形用户界面设计水平的发展日显滞后对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞争能力等等方面无疑起到了制约的作用。
本文主要针对目前常用的图形用户界面系统仅依赖于某种特定的硬件平台和操作系统，使得程序代码的复用率很低，而GUI设计又是比较复杂的问题，对目前常用GUI的功能特点、系统结构进行介绍、比较与分析，提出了一种基于多平台的图形用户界面MPGUI(Multi-Platform Graphical User Interface)。本MPGUI系统通过设计一种用来为普通桌面程序提供跨平台用户界面开发的工具包，提出了实现一种操作系统图形用户界面的方案，提高了图形用户界面的可移植性、稳定性和运行性能。该工具包利用C++编写，包含了大量的类库和方法，并将其设计为框架结构，这些设计思路可以为用户提供标准的程序行为，同时消除底层设计的复杂性。
本论文主要分为五个部分：
第一部分首先介绍了该课题研究的背景以及国内外图形用户界面的发展历史与状况，接着介绍了多种GUI系统所共有的功能特征、系统结构和设计原则，并针对目前的应用状况，提出了GUI系统的几个主要发展方向。
第二部分介绍了当前常用的几种GUI系统的类型和特点，并综合比较了各GUI系统的结构，指出了各种GUI系统的优缺点。
第三部分针对设计目标提出了一种多平台图形用户界面系统MPGUI，给出了MPGUI系统的系统功能和体系结构，详细分析了MPGUI系统的主要管理模块、图形描述语言的定义和编译实现的主要过程，最后针对图形用户界面设计不当可能引发的软件错误，综合分析了系统的容错技术，保证系统能够正确的完成任务。
第四部分在前一章节的基础上，介绍了MPGUI系统的部分核心管理模块的研究与设计。
第五部分介绍了最为重要，也是系统设计当中经常会遇到的问题，内存管理、内存泄漏检测和一些其它错误的预防，并给出系统的自防御措施。
本文最后讨论了本次设计的不足和希望改进之处，并针对MPGUI系统，对其后续发展工作进行了展望。
GUI is for short of Graphical User Interface, which is the most important inventionin the 20th. It combines with Computer Science, Aesthetics, Psychology, Behavior andComputer-human System Engineer for commercial demands. It emphasizes how todesign the whole system together with the human, machine and environment. Nowadays,many companies have realized the strong increment and the great value in the productsof GUI. So they established some related departments to research the GUI. Now, thelevel of the GUI's designing won't meet the needs of the society by the fast developmentof the IT, mobile communication and home electricity's. It will restrict the improvementof the industrial's overall quality and the competition ability of national commerce.
At present, GUI only depends on some given hardware platform and operatingsystem, so the reusability of code is very low. The design of GUI is a complex problem.This dissertation is against to these problems, then introduces, analyzes and comparesthe GUI's characteristic and structure; brings forward a multi-platform GUI namedMPGUI. The GUI system designs a toolkit to develop a multi-platform GUI for normaldesktop program, puts forward a project to realize a operating system's GUI, andimproves the GUI's stability, portability and performance. This toolkit is compiled withC++, including a lot of classes and methods and a GUI library which can supportworking under multiple operating system. It also can avoid the complex design of thelower-level program while providing the standard program behavior.
This dissertation is divided into five parts altogether:
In the first part, the background of the research and the using state of GUI throughthe world are discussed in the dissertation, then, it introduces GUI's mutualcharacteristic, structure and design principle, aims at nowadays application, it bringsforward some develop direction of GUI.
In the second part, some commonly using GUI's characteristic are introduced, then,compares these kinds GUI's system structure, indicates their excellent and disadvantage.
In the third part, it brings forward a multi-platform GUI named of MPGUI, givesthe function and architecture, analyzes the main management module, the definition ofgraphics' describe language and the compiling of the MPGUI. Finally against the software mistake which will be actives by incorrect GUI's design, it analyzes thesystem's fault tolerant technique, ensures the system could achieve the task properly.
In the fourth part, based on the first part, it provides some kernel module's researchand design of MPGUI.
In the fifth part, it introduces the most important, and the usual problem in thesystem design: memory management, memory leak testing and other mistakes'safeguard, at last it provides the system's self-recovery method.
Finally, the dissertation summarizes the shortage of the system's design, takes themethod to modify and introduces the prospect of the GUI system in the future.
本文主要针对目前常用的图形用户界面系统仅依赖于某种特定的硬件平台和操作系统，使得程序代码的复用率很低，而GUI设计又是比较复杂的问题，对目前常用GUI的功能特点、系统结构进行介绍、比较与分析，提出了一种基于多平台的图形用户界面MPGUI(Multi-Platform Graphical User Interface)。本MPGUI系统通过设计一种用来为普通桌面程序提供跨平台用户界面开发的工具包，提出了实现一种操作系统图形用户界面的方案，提高了图形用户界面的可移植性、稳定性和运行性能。该工具包利用C++编写，包含了大量的类库和方法，并将其设计为框架结构，这些设计思路可以为用户提供标准的程序行为，同时消除底层设计的复杂性。
本论文主要分为五个部分：
第一部分首先介绍了该课题研究的背景以及国内外图形用户界面的发展历史与状况，接着介绍了多种GUI系统所共有的功能特征、系统结构和设计原则，并针对目前的应用状况，提出了GUI系统的几个主要发展方向。
第二部分介绍了当前常用的几种GUI系统的类型和特点，并综合比较了各GUI系统的结构，指出了各种GUI系统的优缺点。
第三部分针对设计目标提出了一种多平台图形用户界面系统MPGUI，给出了MPGUI系统的系统功能和体系结构，详细分析了MPGUI系统的主要管理模块、图形描述语言的定义和编译实现的主要过程，最后针对图形用户界面设计不当可能引发的软件错误，综合分析了系统的容错技术，保证系统能够正确的完成任务。
第四部分在前一章节的基础上，介绍了MPGUI系统的部分核心管理模块的研究与设计。
第五部分介绍了最为重要，也是系统设计当中经常会遇到的问题，内存管理、内存泄漏检测和一些其它错误的预防，并给出系统的自防御措施。
本文最后讨论了本次设计的不足和希望改进之处，并针对MPGUI系统，对其后续发展工作进行了展望。
GUI is for short of Graphical User Interface, which is the most important inventionin the 20th. It combines with Computer Science, Aesthetics, Psychology, Behavior andComputer-human System Engineer for commercial demands. It emphasizes how todesign the whole system together with the human, machine and environment. Nowadays,many companies have realized the strong increment and the great value in the productsof GUI. So they established some related departments to research the GUI. Now, thelevel of the GUI's designing won't meet the needs of the society by the fast developmentof the IT, mobile communication and home electricity's. It will restrict the improvementof the industrial's overall quality and the competition ability of national commerce.
At present, GUI only depends on some given hardware platform and operatingsystem, so the reusability of code is very low. The design of GUI is a complex problem.This dissertation is against to these problems, then introduces, analyzes and comparesthe GUI's characteristic and structure; brings forward a multi-platform GUI namedMPGUI. The GUI system designs a toolkit to develop a multi-platform GUI for normaldesktop program, puts forward a project to realize a operating system's GUI, andimproves the GUI's stability, portability and performance. This toolkit is compiled withC++, including a lot of classes and methods and a GUI library which can supportworking under multiple operating system. It also can avoid the complex design of thelower-level program while providing the standard program behavior.
This dissertation is divided into five parts altogether:
In the first part, the background of the research and the using state of GUI throughthe world are discussed in the dissertation, then, it introduces GUI's mutualcharacteristic, structure and design principle, aims at nowadays application, it bringsforward some develop direction of GUI.
In the second part, some commonly using GUI's characteristic are introduced, then,compares these kinds GUI's system structure, indicates their excellent and disadvantage.
In the third part, it brings forward a multi-platform GUI named of MPGUI, givesthe function and architecture, analyzes the main management module, the definition ofgraphics' describe language and the compiling of the MPGUI. Finally against the software mistake which will be actives by incorrect GUI's design, it analyzes thesystem's fault tolerant technique, ensures the system could achieve the task properly.
In the fourth part, based on the first part, it provides some kernel module's researchand design of MPGUI.
In the fifth part, it introduces the most important, and the usual problem in thesystem design: memory management, memory leak testing and other mistakes'safeguard, at last it provides the system's self-recovery method.
Finally, the dissertation summarizes the shortage of the system's design, takes themethod to modify and introduces the prospect of the GUI system in the future.
引文
[1] 谭毅．图形用户界面生产工具的设计与实现[D]．电子科技大学，2002．
[2] 郑有材．UNIX操作系统下图形界面的实现[J]．西安电子科技大学学报，1998，12(25)：787～789
[3] 詹瑾瑜．基于嵌入式操作系统的图形用户界面(GUI)系统的研究与实现[D]．电子科技大学，2003．
[4] The President's Information Technology Advisory Committee (PITAC). Information technology for the twenty-first century: A bold investment in America's future [OL]. http://www.ccic.gov/.1999
[5] 仇浩健．操作系统图形用户界面的研究与实现[D]．南京航空航天大学，2003．
[6] Vredenburg K, Isensee S, Righi C. User-Centered Design: An Integrated Approach [M]. New Jersey: Prentice Hall, 2001
[7] RICHARD N T. A Component and Message-Based Architectural Style for GUI Software [J]. IEEE Trans on Software Engineering, 1996, 22(8): 390-406.
[8] ROHIT M, BEN S. Visual and Textual Consistency Checking Tools for Graphical User Interface [J]. IEEE Trans on Software Engineering, 1997, 23(11):722-735.
[9] 张华桁，宋立群．基于B／S开发模式的树型GUI设计与实现[J]．计算机应用与软件，2004，12(21)：19～21
[10] 吕崇德，蔡瑞中，王威．电厂仿真图形化—体建模支持系统[J]．系统仿真学报，1999，5(11)：380～382
[11] 董士海．人机交互的进展及面临的挑战[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2004，16(1)：1～13
[12] Weiser, M. The computer forthe 21st Century [J]. Scientific American, 1991, 3(265):66～75
[13] 李杰．笔式用户界面开发方法研究[D]．中国科学院研究生院，2004．
[14] Fugen C, et al. LingWear: A mobile tourist information system [OL]. http://hlt2001.org, 2001
[15] Maybury M. Intelligent user interfaces: An introduction [A]. In: Proceedings of International Conference on Intelligent User Interfaces(IUI'99), Los Angeles, CA, 1999. 3～4
[16] Shnerderman B. Direct manipulation for comprehensible, predictable and controllable user interfaces[A]. In Proceedings of International Conference on Intelligent User Interfaces(IUI'97), Orlando, Florida, 1997.33～39
[17] Plamen Paskalev, Vladimir Nikolov. Multi-Platform, script-based user interface. International Conference on Computer Systems and Technologies-CompSysTech'2004[A]
[18] 李晓．自适应人机交互界面研究[D]．西南师范大学，2001．
[19] 朱雪峰，顾耀林，曹莹．UNIX平台基于Motif环境的图形用户界面开发技术[J]．江南大学学报，2002，1(1)：38～41
[20] 胡湘华．嵌入式Linux中图形用户界面的研究与实现[D]．国防科学技术大学，2002．
[21] 王田苗．嵌入式系统设计与实例开发—基于ARM微处理器与uc／os-Ⅱ实时操作系统(第二版)[M]．北京：清华大学出版社，2002：2-4．
[22] 朱雪峰，顾耀林．Unix和Windows图形用户界面开发的比较研究[J]．计算机工程，2001，12(27)：182～184
[23] 王同洋，熊伟．嵌入式Linux中图形用户界面的研究与设计[J]．嵌入式操作系统应用，2006，3(22)：90～92
[24] Bill Yenners著，曹晓钢，蒋靖译．深入Java虚拟机[M]．北京：机械工业出版社，2003：2-3
[25] 朱洲，龚育昌，汪文俊．MiniCore操作系统图形用户界面的设计．2005全国仿真技术学术会议论文集[C]，青海西宁，2005年7月。
[26] 肖寅．嵌入式系统上的图形界面输入引擎的研究[J]．科学技术与工程，2006，8(6)：1099～1101
[27] 许赞泉．针对图形用户界面的软件测试研究[D]．南京航空航天大学，2003．
[28] 张道平，文小兵．模型驱动的信息系统图形用户界面开发技术[J]．计算机工程，2005，5(31)：102～104
[29] 王九贤，叶卫东．嵌入式图形用户界面的结构分析与应用[C]．2005年全国单片机与嵌入式系统学术交流全论文集．北京：北京航空航天大学出版社，2005：203-207
[30] 莫晓齐，王耀南．组态软件用户图形界面的设计与开发[J]．计算机工程与设计，2006，1(27)：49～52
[31] 吕映芝，张素琴，蒋维杜著．编译原理[M]．北京：清华大学出版社，1998：1-2．
[32] 朱丹枫．一种用于测试编译优化的程序控制结构生成算法[D]．中国科学院，2005．
[33] 冯钢．基于GCC的嵌入式系统编译器研究与开发[D]．浙江大学，2004．
[34] 尹作为．基于C编译器的遥感图像分析软件初步设计[D]．武汉大学，2005．
[35] 陈火旺，刘春林，谭庆平等．程序设计语言编译原理[M]．北京：国防工业出版社，2002：66．
[36] Keith D．Cooper Linda Torczon著，冯速译．编译器工程[M]．北京：机械工业出版社，2006： 45-49．
[37] 李涛．图形用户界面GUI的自动测试工具的研究[D]．四川大学，2005．
[38] 徐秀华．基于元模型的用户界面建模系统的研究[D]．大庆石油学院，2004．
[39] 丁俊，童维勤．群机系统的容错和恢复[J]．计算机应用，2001，21(6)：90～92
[40] Card S, Moran T, Newell A. The keystroke-level model for user performance time with interactive systems [J]. Communications of the ACM, 1980, 23(7): 396～410
[41] Card S, Moran T, Newell A. The Psychology of Human Computer Interaction [M]. New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, 1983
[42] 苏威积，赵海，张文波，徐野．传感器网络结点OS内存管理的设计与实现[J]．计算机工程，2006，14(32)：37～39
[43] 程振林，方金云，唐志敏．C++编码中减少内存缺陷的方法和工具[J]．计算机工程，2007，4(33)：40～41
[44] 张广梅，李晓维．动态内存错误的静态检测[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2005，3(17)：400～406
[45] 高海吕，冯博琴，卫鹏，何杭军．Linux下可执行文件的动态内存检测设计与实现[J]．计算机工程，2007，1(33)：74～76
[46] 钟灵，邹兆佳，冯大春．三种内存泄漏检测方法的比较[J]．计算机时代，2005，5：36～38
[47] Hallem S, Chelf B, Xie Y, et al. A system and language for building system specific, static analyses [J]. ACM SIGPLAN Notices, 2002, 37(5): 44～52
[48] 赵庆松．安全操作系统的恶意代码防御技术的研究与实施[D]．中国科学院，2002．
[2] 郑有材．UNIX操作系统下图形界面的实现[J]．西安电子科技大学学报，1998，12(25)：787～789
[3] 詹瑾瑜．基于嵌入式操作系统的图形用户界面(GUI)系统的研究与实现[D]．电子科技大学，2003．
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[29] 王九贤，叶卫东．嵌入式图形用户界面的结构分析与应用[C]．2005年全国单片机与嵌入式系统学术交流全论文集．北京：北京航空航天大学出版社，2005：203-207
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[35] 陈火旺，刘春林，谭庆平等．程序设计语言编译原理[M]．北京：国防工业出版社，2002：66．
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